Manipulação genética programável: estudo descobre nova técnica para alterar o DNA de um organismo

Uma descoberta dos pesquisadores do Arc Institute, na Califórnia, promete facilitar as técnicas usadas para alterar o DNA do organismo. A pesquisa, publicada nessa quarta-feira (26) na revista científica Nature, detalha o mecanismo chamado de 'recombinase de ponte' para reorganizar o material genético de maneira programável.

No entanto, ambos os sistemas guiados por RNA cortam, danificam ou destroem naturalmente seus alvos de DNA ou RNA para inativá-los.

Em uma busca nos últimos dois anos e meio, os cientistas do Arc Institute descobriram um tipo compacto e inteiramente novo de sistema molecular programável que evoluiu para inserir diretamente novas sequências de DNA no genoma usando RNAs ponte – uma nova classe de guia ARN.

O estudo, publicado nesta quarta (26) na Nature, relata a descoberta da primeira 'recombinase' de DNA que utiliza um RNA não codificante para seleção específica de sequência de moléculas de DNA alvo e doadoras. Esta ponte de RNA é programável, permitindo ao usuário especificar qualquer sequência alvo genômica desejada e qualquer molécula de DNA doadora a ser inserida.

'O sistema ponte de RNA é um mecanismo fundamentalmente novo para o design do genoma', disse o Dr. Patrick Hsu, autor sênior do estudo e investigador principal do Arc Institute e professor assistente de bioengenharia da Universidade da Califórnia, Berkeley.

'A recombinação de ponte pode modificar universalmente o material genético por meio de inserção, excisão, inversão específica de sequência e muito mais, permitindo um processador de texto para o genoma vivo além do Crispr', explica.

O cientista sênior da Arc, Dr. Matthew Durrant, e o estudante de graduação em bioengenharia da UC Berkeley, Nicholas Perry, foram os principais autores da descoberta. A pesquisa foi desenvolvida em colaboração com os laboratórios da Dra. Silvana Konermann, investigadora principal do Arc Institute e professora assistente de bioquímica da Universidade de Stanford.

RNA programável

O sistema de recombinação de ponte vem de elementos de sequência de inserção 110 (IS110), um dos inúmeros tipos de elementos transponíveis — ou “genes saltadores” — que se cortam e colam para se mover dentro e entre genomas microbianos. Elementos transponíveis são encontrados em todas as formas de vida e evoluíram para máquinas profissionais de manipulação de DNA para sobreviver. Os elementos IS110 são muito mínimos, consistindo apenas de um gene que codifica a enzima recombinase, além de segmentos de DNA de flanqueamento que, até agora, permaneceram um mistério.

O laboratório do Arc Institute descobriu que quando o IS110 se extirpa de um genoma, as extremidades não codificantes do DNA são unidas para produzir uma molécula de RNA – o RNA ponte – que se dobra em duas voltas. Um loop se liga ao próprio elemento IS110, enquanto o outro loop se liga ao DNA alvo onde o elemento será inserido. O RNA ponte é o primeiro exemplo de uma molécula guia biespecífica, especificando a sequência do DNA alvo e do doador por meio de interações de pareamento de bases.

Cada loop da ponte de RNA é programável de forma independente, permitindo aos pesquisadores misturar e combinar quaisquer sequências de DNA alvo e doador de interesse. Isto significa que o sistema pode ir muito além do seu papel natural que insere o próprio elemento IS110, permitindo em vez disso a inserção de qualquer carga genética desejável – como uma cópia funcional de um gene defeituoso causador de doenças – em qualquer localização genómica. Neste trabalho, a equipe demonstrou mais de 60% de eficiência de inserção de um gene desejado em E. coli com mais de 94% de especificidade para a localização genômica correta.

“Esses RNAs ponte programáveis ​​distinguem o IS110 de outras recombinases conhecidas, que não possuem um componente de RNA e não podem ser programadas”, disse Perry. “É como se a ponte RNA fosse um adaptador de energia universal que torna o IS110 compatível com qualquer tomada.”

O estudo é complementado pela colaboração com o laboratório do Dr. Hiroshi Nishimasu da Universidade de Tóquio, também publicado hoje na Nature. O laboratório Nishimasu usou microscopia crioeletrônica para determinar as estruturas moleculares do complexo de RNA ponte recombinase ligado ao DNA alvo e doador, progredindo sequencialmente através das principais etapas do processo de recombinação.

Com mais exploração e desenvolvimento, o mecanismo de ponte promete inaugurar uma terceira geração de sistemas guiados por RNA, expandindo-se além dos mecanismos de corte de DNA e RNA de CRISPR e interferência de RNA (RNAi) para oferecer um mecanismo unificado para rearranjos programáveis ​​de DNA. Crítica para o desenvolvimento do sistema de recombinação de ponte para o design do genoma de mamíferos, a recombinase de ponte une ambas as cadeias de DNA sem liberar as extremidades cortadas do DNA - contornando uma limitação importante das atuais tecnologias de edição de genoma de última geração.

“Além da descoberta de um novo mecanismo molecular de função do RNA, o mecanismo de recombinação de ponte tem o potencial de resolver alguns dos desafios mais fundamentais enfrentados por outros métodos de edição do genoma”, disse Durrant, co-líder da pesquisa. “A capacidade de reorganizar programaticamente quaisquer duas moléculas de DNA abre a porta para avanços no design do genoma.”

Design do genoma

De acordo com os pesquisadores, a recombinação de pontes fornece um 'trampolim' para uma maior exploração de suas aplicações potenciais no design do genoma. As futuras áreas de pesquisa incluem a adaptação do sistema para uso em células humanas, aumentando sua precisão e eficiência e explorando funcionalidades adicionais do elemento IS110 - como a forma como ele se extirpa do genoma após a conclusão do trabalho de edição - que poderia ter efeitos em cascata para outros genomas. ferramentas de projeto.

Esses refinamentos no sistema de RNA ponte poderiam turbinar a busca multidisciplinar da Arc para compreender e manipular como os genes interagem em redes complexas. No domínio do design do genoma, os cientistas computacionais poderiam implantar RNAs-ponte para validar a pesquisa genômica sintética na linguagem, sintaxe e gramática dos genomas. Os pesquisadores também poderiam usá-lo como uma ferramenta genômica funcional para fazer inserções genéticas precisas em locais específicos do genoma, além da interrupção de um único gene, abrindo novos caminhos para a compreensão de como os genes influenciam a saúde e a doença.